測量接收機與矢網(wǎng)測量衰減方法研究

欒 鵬 劉 晨 李彥麗 吳愛華 喬宏志

（1.中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊050051；2.中國電子科技集團公司第四十一研究所，山東青島266555）

1 引 言

衰減量是表征微波元件傳輸特性的一個主要參量［1］，在大功率、微電壓、噪聲等信號參量測量時都需要經(jīng)過校準的衰減器。 因此衰減參量是微波測量領(lǐng)域非常重要的參數(shù)，對其準確測量具有重要意義。

目前，準確度較高且使用方便的衰減測量儀器有測量接收機和矢量網(wǎng)絡(luò)分儀。 常用的測量接收機有FSMR50 等，其通過調(diào)諧電平測量及相應的量程修正實現(xiàn)衰減參量測量。 比較先進的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為PNA －X 系列，其通過測量兩端口器件散射參數(shù)的方法實現(xiàn)衰減參量測量。 兩種測量方法測量原理不同、各有優(yōu)缺點。

本文對衰減的定義及測量不確定度來源及對兩種測量標準測量不同衰減量的低反射系數(shù)被測件不確定度進行對比分析介紹。 先后采用兩種測量標準對較大反射系數(shù)下不同相位的被測件進行測量，后對接收機和網(wǎng)絡(luò)分析儀測量衰減的優(yōu)缺點進行總結(jié)。

2 衰減測量原理及不確定度分析

接收機測量衰減的原理為：在相同的信號激勵下，系統(tǒng)不接被測件與連接被測件，測量接收機測量調(diào)諧電平的比值即為插入損耗，其與衰減量之間有確定的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 不接被測件時接收機測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of receiver measurement when the DUT is not connected

源輸出功率為［2，3］

源傳輸給反射系數(shù)為ΓL的任意負載的凈功率為：

當把被測件接入到系統(tǒng)中進行測量，如圖2所示。

圖2 連接被測件時接收機測量示意圖Fig.2 Schematic diagram of receiver measurement when connecting the DUT

源經(jīng)被測件（二端口網(wǎng)絡(luò)）傳輸給反射系數(shù)為ΓL的任意負載的凈功率為

由式（3）和式（5）可得，接收機測量被測件的插入損耗為

在圖2所示測量系統(tǒng)中，當信號源與負載均與傳輸線匹配時（ΓL＝ΓG＝0） ，根據(jù)衰減的定義，被測件的衰減為

由式（7）和式（8）可得，采用接收機測量衰減的失配誤差為

由于失配誤差與源、接收機以及被測件輸入、輸出反射系數(shù)幅度和相位均有關(guān)系，測量難度大，一般作為不確定度處理。 失配誤差在相位反相時達到最大值［4，5］，不確定度一般取極限為

從接收機測量原理可知，其測量的是插入損耗，當接收機用于測量衰減時，其測量不確定度主要來源于接收機線性度、失配以及測量重復性。

由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量原理可知［6］，測量參數(shù)S21的測量不確定度既是衰減的測量不確定度，不存在失配的問題。 其測量S21的不確定度來源主要包括：校準件不理想導致的系統(tǒng)誤差項修正不完善、網(wǎng)絡(luò)分析儀線性誤差以及測量重復性。

3 接收機和網(wǎng)絡(luò)分析儀測量不同衰減量的不確定比較

評定分析以18GHz 頻率為例，接收機和矢量網(wǎng)絡(luò)分析測量低反射系數(shù)不同固定衰減器為測量對象。

信號源的源反射系數(shù)模值｜ΓG｜、測量接收機的輸入反射系數(shù)模值｜ΓL｜以及被測件的輸入輸出反射系數(shù)模值均為0.1，即｜ΓG｜＝｜ΓL｜＝｜S11｜＝｜S22｜＝0.1），被測件分別1dB，3dB，10dB，20dB，40dB，60dB，80dB，100dB 衰減器。

由測量接收機說明書，其線性極限誤差為±0.01dB ＋0.005dB／10dB（10dB、50dB 量程轉(zhuǎn)換誤差為0.005dB），其失配誤差、接收機線性誤差及最終測量不確定度（含重復性），如圖3 至圖5所示。

圖3 接收機測量失配誤差曲線圖Fig.3 Receiver measures the error curve of mismatch error

圖4 接收機測量線性誤差曲線圖Fig.4 Receiver measurement the error curve of linear

圖5 接收機測量衰減不確定度曲線圖Fig.5 Uncertainty curve of receiver measurement attenuation

由圖3 和圖5 可知，（1 ～10）dB 由于隔離較差，導致失配影響較大；80dB 以上不確定度主要來源于測量重復性。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量衰減［7，8］的不確定度由不確定度評定軟件得到如圖6所示的不確定度（含重復性）曲線。 在60dB 以下，不確定度（0.1 ～0.3）dB，與接收機測量不確定相當。

圖6 網(wǎng)絡(luò)分析儀測量衰減不確定度曲線圖Fig.6 Network analyzer measures the uncertainty curve of attenuation

對于接收機測量衰減，由于評定失配引入的不確定度是在最保守情況下得到的，因此，對于被測衰減器駐波較小（一般小于1.2）的情況下，在（10 ～60）dB 網(wǎng)絡(luò)分析儀與接收機測量的不確定度相當；在80dB 以上，由于網(wǎng)絡(luò)分析儀的線性及重復性等原因，導致測量S21的不確定度遠大于測量接收機的測量不確定度，一般不能用于測量衰減。

失配在接收機測量不確定度中占據(jù)主導因素，對于功率衰減器而言，其駐波通常較大，一般可達1.6∶1。 仍以18GHz 為例，測量20dB 衰減器，測量接收機測量該失配衰減器的不確定度為0.59dB，網(wǎng)絡(luò)分析儀測量不確定度為0.18dB。 就是說在測量較大失配的衰減器時，網(wǎng)絡(luò)分析儀具有天然優(yōu)勢。

4 實驗驗證

以接收機和網(wǎng)絡(luò)分析儀作為測量標準，以阻抗調(diào)配器級聯(lián)20dB 固定衰減器作為被測件，在18GHz 頻率下，分別測量被測件輸入反射系數(shù)幅度0.23，不同相位下，測量結(jié)果的對比（被測件輸出反射系數(shù)幅度為0.15）如圖7所示。

圖7 在不同輸入反射系數(shù)相位下的測量結(jié)果對比圖Fig.7 Comparison of measurement results at different input reflection coefficient phases

從實際測量結(jié)果對比來看，兩種測量標準在不同相位下測量結(jié)果偏差較大（0.10 ～0.31）dB，且接收機比矢網(wǎng)測量結(jié)果偏小。 測量以網(wǎng)絡(luò)分析儀測量結(jié)果為參考值（不確定度為0.18dB），接收機測量結(jié)果偏離參考值較大。 對于一個200W 的功率衰減器，如果測量結(jié)果偏離參考值0.3dB，相當于功率偏差14W，這對于功率器件設(shè)計或測量的影響是非常大的。

5 結(jié)束語

失配在接收機測量衰減中占據(jù)主導因素，應盡可能減小源及接收機的反射系數(shù)。 網(wǎng)絡(luò)分析儀由于不用考慮失配，因此在60dB 以內(nèi)衰減量程測量不確定度較小，超過80dB 由于受網(wǎng)絡(luò)分析儀線性及重復性的影響，其測量不確定度急劇惡化，一般不用于衰減測量。 對于反射系數(shù)模值較小（小于0.1）的被測件，衰減量在80dB 以內(nèi)，接收機與網(wǎng)絡(luò)分析儀測量不確定度相當；當反射系數(shù)模值較大時（大于0.2），接收機測量衰減的不確定度明顯偏大，建議采用網(wǎng)絡(luò)分析儀作為測量標準。